金属陶瓷硬质覆层零件设计理论及其可靠性研究

发布时间：2020-09-15 12:37

　　 金属陶瓷硬质覆层零件是利用先进涂覆层技术在基体零件上涂覆金属陶瓷硬质覆层而得到的新型层状复合材料零件，可广泛应用于耐磨抗蚀、耐疲劳抗氧化及耐高温场合。针对目前缺乏系统的适应于金属陶瓷硬质覆层零件设计理论的现状，本文在对金属陶瓷硬质覆层材料等效性能研究的基础上，对覆层零件在典型服役条件下的设计理论及其可靠性进行了系统研究，为进一步扩大该新型覆层零件的应用领域奠定了理论基础。 提出了金属陶瓷硬质覆层材料的等效弹性模量的概念，建立了其等效弹性模量与组成材料弹性模量、热膨胀系数、覆层厚度等参数之间的理论关系模型，并进行了实验研究。建立了金属陶瓷硬质覆层材料等效泊松比和等效剪切模量理论模型。 建立了覆层受压和受拉两种作用方式下金属陶瓷硬质覆层材料的等效抗弯强度理论模型，并进行了实验研究。结果表明，材料的等效抗弯强度随着覆层厚度的增加而增加；覆层受压时，材料首先在硬质覆层的最大压应力点发生破坏，而覆层受拉时，材料首先在硬质覆层的最大拉应力点发生破坏。针对覆层受压，提出了基于等效抗弯强度进行硬质覆层零件设计时，应该以覆层部分材料的抗压强度而不是以基体材料的抗拉强度为设计准则。对金属陶瓷硬质覆层材料的等效屈服强度、界面拉伸强度和界面剪切强度随覆层厚度的变化规律进行了实验研究。 提出了磨损载荷作用下金属陶瓷硬质覆层零件的设计准则，即基于允许磨损量、等效最大剪切应力和界面剪切强度的设计准则。建立了覆层零件磨损量、等效最大剪切应力以及界面最大剪切应力理论模型，并进行了实例和有限元研究。结果表明，当零件总厚度不变时，硬质覆层零件的等效最大剪切应力和界面最大剪切应力均随着覆层厚度的增大而减小、随着磨损载荷的增大而增大、并与摩擦副材料有关。 对基于裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件的设计理论进行了研究，提出了一个适应于硬质覆层零件的、用于判断界面裂纹扩展方向的新参数，即界面裂纹扩展方向的相对扩展性能参数CP。 对基于平行并位于界面的裂纹扩展的金属陶瓷硬质覆层零件设计准则进行了理论和实例研究。理论分析了该界面裂纹分别向硬质覆层内偏折、向基体内偏折、沿界面三个方向扩展的相对扩展性能参数。提出了平行并位于界面的裂纹扩展准则，根据该准则，实例分析了该界面裂纹分别沿三个方向扩展的最大能量释放率、相对扩展性能参数及扩展角与载荷作用角ψ、覆层厚度比h_1/h、载荷Q大小及零件组成
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2006
【中图分类】：TH122
【部分图文】：

00.10.20.30.40.50.60.7hl(mm)图2一7等效弹性模量凡与覆层厚度h，之间的关系图2一6是覆层试样整体断裂前的变形形貌。由图可见，覆层部分和基体部分在拉伸载荷作用下都是从中间向两端伸长，由于覆层的弹性模量大于基体的弹性模量，

高为h的矩形截面，价bhZ/6。图2一17是金属陶瓷硬质覆层材料SCrZNIOSC/Q235的等效抗弯强度与覆层厚度比之间的关系。由图可见，其它 0les 0.025 0.075 0.125h!/h图2一17等效抗弯强度与覆层厚度比h、/h之间的关系条件不变时，随着覆层厚度比的增加，材料的等效抗弯强度增加。在前面的理论分析中，由图2一14和图2一16可以看出，.随着覆层厚度的增加，两种作用方式的等效抗弯强度因子增大，由于等效抗弯强度因子的变化趋势与覆层材料的理论等效抗弯强度的变化趋势相同，所以，实验研究结果与理论分析结果相符。覆层材料等效抗弯强度随覆层厚度增大而增加的主要原因是:覆层部分材料的弹性模量’(E

图2一23单边剪切实验装置示意图h一(mm)图2一24界面剪切强度〔ri]与覆层厚度h!之间的关系2.4本章小结金属陶瓷硬质覆层材料是由硬质覆层、界面层和基体组成的非均质材料，其性能参数与其组成材料性能参数和层合结构尺寸及制备工艺有关。为了对硬质覆层材料进行正确的评价和表征，以及进行硬质覆层零件设计时正确选择材料体系，本文提出了硬质覆层材料等效性能的概念，并对硬质覆层材料的主要等效物理、力学性能参数进行了理论和实验研究。(l)通过对金属陶瓷硬质覆层材料试样在拉伸载荷作用下的变形特点分析，提出了等效弹性模量的概念，分别从考虑和不考虑材料制备过程中产生的残余应力两个方面，建立了硬质覆层材料等效弹性模量与组成材料弹性模量、热膨胀系数和覆层厚度比等参数之间的理论关系模型，并进行了实例和实验研究。理论与实验研究结果相符

【引证文献】

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1 李文虎;刘福田;;锤刀表面硬质合金覆层的性能及失效机理分析[J];工具技术;2008年11期

本文编号：2818969